Éclairage LED : Fournir la qualité, la rentabilité et la facilité d'utilisation

 

 

Contenu

1. Le moment est-il venu de mettre vos éclairages à niveau ?....….…………………………….… 3
2. Quelles sont les différentes options d'éclairage ? .......................................................................... 4
3. Qu'est-ce qu'un éclairage LED ?.......................................................................................................... 7
4. Pourquoi les lampes LED gagnent-elles en popularité ? .............................................................. 9
5. Créer des LED de meilleure qualité ……………………………...……….....……………………..11
6. Quels sont les problèmes liés aux LED ?...................................………..……......………………..13
7. L'éclairage de demain …………....................……..…………………………………....……….…...14
8. Références .....................……....……………………………………......……………………….….....16

 

 

Le moment est-il venu de mettre vos éclairages à niveau ?

Avec l'augmentation continue de l'énergie, les entreprises et les particuliers recherchent toutes les solutions possibles pour réduire leurs coûts et l'efficacité énergétique.  D'après l'Energy Saving Trust, l'éclairage représente 8 % de la facture énergétique des particuliers. Les motivations pour réduire les coûts dans ce domaine sont évidentes, que vous soyez un particulier, une entreprise ou une organisation publique.

Mais les efforts d'amélioration de l'efficacité impliquent-ils un sacrifice de la qualité, de la sécurité, de la souplesse ou de la facilité d'utilisation ? Grâce aux innovations technologiques continues, la réponse à cette question est clairement négative. Avec l'arrivée de solutions d'éclairage plus avancées et de nouvelles options de mise à niveau, les utilisateurs peuvent réduire leurs coûts d'éclairage sans perdre en qualité.

À elle seule la réduction des coûts justifie suffisamment un changement de solution d'éclairage, avec l'installation de nouveaux systèmes pour utiliser des lampes techniquement plus avancées.  Mais si vous tenez compte d'autres facteurs, tels que la qualité, la tonalité chromatique, la longévité, la maintenance, une mise à niveau devient alors clairement justifiée.

 

Quelles sont les différentes options d'éclairage ?

Pour des applications d'éclairage général, différentes solutions sont disponibles :

 

Ampoules à incandescence/halogènes

Ces ampoules génèrent de la lumière grâce à un filament traversé par du courant électrique.  Le filament est porté à très haute température et génère de la lumière dans une gamme étendue de longueurs d'onde.

• Indice de rendu des couleurs (IRC) :  90-100
• Lumens/Watts : 5-25
• Durée de vie : 1 000 heures

Ces ampoules sont peu coûteuses mais relativement inefficaces puisqu'elles consomment de l'électricité pour générer à la fois de la chaleur perdue et de la lumière.  Leur durée de vie est courte et exige des remplacements assez fréquents.

 

Tubes fluorescents compacts (CFL)

‎Dans les tubes fluorescents compacts, le courant traverse de la vapeur de mercure pour émettre une lumière ultraviolette.  Cette lumière UV est absorbée par un revêtement en phosphore qui émet alors une lumière visible.

• IRC : 60-90
• Lumens/Watts : 50-75
• Durée de vie : de 6 000 à 15 000 heures

Les tubes fluorescents compacts offrent un rendement énergétique largement supérieur aux ampoules à incandescence et durent beaucoup plus longtemps.  Mais ils sont sensibles aux températures et contiennent une substance toxique, le mercure, exigeant donc certaines précautions.

 

Lampes aux halogénures

Dans les lampes aux halogénures, un arc électrique traverse un mélange gazeux combinant du mercure vaporisé et des halogénures.  Elles sont similaires aux tubes à vapeur de mercure, mais les composants métalliques combinés au brome ou iode offrent une couleur et une luminosité améliorées.

• IRC : 70-95
• Lumens/Watts : 60-100
• Durée de vie : de 6 000 à 20 000 heures

Les contraintes de cette solution incluent des délais d'allumage, un indice T médiocre, des variations potentielles de la couleur, un manque de fiabilité aux températures extrêmes, la présence de substances toxiques. La fin de vie du produit présente des risques puisqu'il contient des gaz sous haute pression.

 

Sodium haute pression

Ces lampes à vapeur de sodium à haute pression émettent une lumière orange vive en énergisant du sodium sous haute pression.  Elles sont plus petites que leur équivalent basse pression, qui produisent une lumière plus douce.

• IRC : 30
• Lumens/Watts : 60-120
• Durée de vie : de 10 000 à 24 000 heures

Les lampes à vapeur de sodium à haute pression présentent des inconvénients similaires aux lampes aux halogénures, incluant variation chromatique, indice T médiocre, manque de fiabilité aux températures extrêmes, présence de mercure, et un long délai de redémarrage.

 

Lampes à plasma électroluminescent (LEP)

Les lampes à plasma électroluminescent (LEP) génèrent de la lumière en énergisant à l'aide d'une source électromagnétique un plasma dans une ampoule ou brûleur transparent fermé.  Lorsque le gaz contenu dans la lampe est ionisé, les électrons libres sont accélérés par le champ électromagnétique et entrent en collision avec les atomes métalliques et gazeux qui génèrent de la lumière.

• IRC : 50-90
• Lumens/Watts : 60-90
• Durée de vie : 100 000 heures

Ces lampes combinent longévité et rendement énergétique. Elles sont disponibles dans des formats compacts.  Comme elles contiennent du gaz, elles doivent être manipulées avec précautions.

 

Qu'est-ce qu'un éclairage LED ?

Il est utile d'examiner aussi les avantages et inconvénients d'une solution de plus en plus demandée : les diodes électroluminescentes ou LED.

Une LED est une source de lumière basée sur la technologie des semi-conducteurs. Elle est utilisée comme voyant ou témoin dans divers dispositifs électroniques et pour un nombre croissant de solutions d'éclairage.  Les LED existent depuis les années soixante. Au cours des dernières années, les progrès technologiques ont facilité leur utilisation dans un nombre croissant de secteurs et d'industries.

• IRC : 70-90
• Lumens/Watts : jusqu'à 150
• Durée de vie : potentiellement plus de 100 000 heures

Fondamentalement, les LED sont de minuscules ampoules qui peuvent être installées dans des circuits électriques.  Mais contrairement aux autres types d'ampoules, elles ne contiennent pas de filament qui chauffe ou qui puisse brûler. La lumière est émise par le mouvement des électrons dans un matériau semi-conducteur et ne peut donc pas générer de chaleur notable.

Lorsqu'une LED est énergisée, les électrons se recombinent dans des orifices intégrés et libèrent de l'énergie sous forme de photons.  Ces photos forment un rayonnement lumineux par électroluminescence, dont la couleur est déterminée par l'écart de bande du matériau de semi-conducteur.

Dès les années quatre-vingts, les LED étaient suffisamment lumineuses pour être utilisées dans les feux stop des automobiles et les feux de circulation, qui sont donc leurs premières applications dans le domaine de l'éclairage.  Dans les années quatre-vingt-dix, les premières LED à lumière blanche apparaissent, précurseurs des modèles utilisés actuellement dans les applications d'éclairage général.

D'après le Lighting Research Center, la lumière blanche peut être obtenue en combinant le rayonnement de plusieurs LED de couleurs différentes pour créer une diffusion spectrale visuellement blanche.  Cette solution offre une excellente efficacité lumineuse, un bon rendu de couleurs et peut produire toutes les couleurs désirées.

Une autre approche consiste à combiner le phosphore dans des LED à longueurs d'ondes courtes.  Elle produit une source de lumière blanche unique et compacte, mais dont l'efficacité lumineuse est inférieure.  En outre, l'application uniforme du phosphore pendant le processus de fabrication est difficile à contrôler.

 

Pourquoi les lampes LED gagnent-elles en popularité ?

Les lampes à LED offrent aux utilisateurs plusieurs avantages par rapport aux autres options :

Efficacité énergétique - Les LED consomment jusqu'à 90 % d'énergie en moins que les autres types d'ampoules. Elles offrent donc un potentiel d'économie et minimisent l'impact sur l'environnement.

Longévité - Les lampes à LED de la dernière génération peuvent fonctionner normalement pendant de nombreuses années en perdant seulement une faible partie de leur luminosité.

Facilité de la maintenance - Les avantages de la durée de vie des modèles haut de gamme impliquent une réduction des remplacements et la manipulation sur place est plus facile.

Luminosité - La luminosité des LED est similaire à celle des ampoules halogènes. Elles répondent aux exigences d'une gamme d'applications fonctionnelles, de contrôle et d'éclairage.

Illumination instantanée - Les LED produisent une lumière maximale immédiate dès qu'elles sont sous tension. Il n'y a aucun délai pour obtenir la puissance lumineuse complète.

Souplesse d'utilisation - Certaines lampes à LED peuvent être utilisées avec un variateur ou dimmer, permettant aux utilisateurs de régler la luminosité selon les besoins.

Sécurité - Contrairement aux tubes fluorescents compacts, aux lampes aux halogénures et aux lampes à vapeur de sodium à haute pression, les LED ne contiennent pas de mercure ni d'autres substances toxiques.

Stabilité thermique - Les LED ne sont jamais chaudes au toucher même après des heures ou des journées de fonctionnement.

Satvinder Panesar, responsable principal des achats pour RS Components, explique que les LED se différencient par plusieurs caractéristiques techniques.  « Dès qu'elles sont sous tension, les lampes à LED produisent instantanément leur luminosité totale. Avec d'autres technologies, il y a un délai plus ou moins long à l'allumage » précise-t-il. « Avec les lampes à vapeur de sodium à haute pression, par exemple, il faut attendre un certain temps avant que le produit émette la lumière prévue par ses spécifications. Un éclairage LED peut être fréquemment éteint et rallumé ».

M. Panesar ajoute que le rendement énergétique est un facteur particulièrement convaincant des solutions LED. Les utilisateurs peuvent économiser jusqu'à 70 % d'énergie par rapport aux solutions traditionnelles.  « Et le produit dure beaucoup plus longtemps. La différence est importante, de l'ordre de 35 000 heures avec une lampe à LED au lieu de 2 000 heures pour une ampoule halogène », précise-t-il.

« La faible consommation d'énergie induit une réduction des coûts.  De plus, vous n'avez pas à payer un technicien pour remplacer les produits. Donc, grâce à la longévité améliorée du produit, il est encore beaucoup plus économique à long terme. Les lampes à LED ont l'avantage supplémentaire d'être alimenté en basse tension.  Vous pouvez les brancher sur de nombreux types de systèmes, incluant des panneaux solaires », conclut M. Panesar.

« Les LED sont extrêmement efficaces et peuvent générer plus de lumière par Watt que la plupart des technologies. Elles n'utilisent pas de mercure, peuvent durer jusqu'à 50 fois plus qu'une ampoule à incandescence et environ cinq fois plus qu'un tube fluorescent compact ».

 

Lighting Industry Association

 

Créer des LED de meilleure qualité

Diverses améliorations apportées à la fabrication des lampes au cours des dix dernières années ont permis aux éclairages LED de se positionner comme solutions de haute qualité de plus en plus abordables.  Jonathan Domingo, ingénieur du développement des produits, pour Lumex, le fabricant de lampes à LED, a déclaré que les innovations ont permis aux LED de dépasser leur rôle de voyant lumineux, pour répondre à une gamme étendue de nouvelles applications.

Dans un article pour EDN Network, il affirme qu'au cours des dix dernières années, l'industrie a vu des changements « spectaculaires ».  « Les progrès des équipements, des matériaux et des processus ont supporté une augmentation des volumes et de la qualité des puces LED demandées par les fabricants. Ces puces de haute qualité offrent des avantages clés en termes de performance, d'économie d'énergie, de gain d'espace, et de qualité visuelle, avec une réduction des coûts sans précédent ».

 

Progrès de la fabrication

Dans cet article, M. Domingo explique que des systèmes multi-réacteurs servent maintenant à créer les substances des matrices destinées aux LED, et que leurs longueurs d'ondes offrent une plus grande uniformité, générant une performance chromatique plus cohérente, avec des coûts de fabrication inférieurs aux machines d'épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Il a ajouté que les systèmes de ventilation réduisent les risques de contamination pendant le processus de production, ce qui a aussi contribué à améliorer la qualité.

« Grâce en grande partie à ces équipements avancés, l'efficacité structurelle des LED a progressé au cours des dix dernières années, pour passer de 50 à 70 % à plus de 90 % aujourd'hui.  Cette efficacité structurelle avancée génère une amélioration évidente des performances visuelles », conclut M. Domingo.

 

Améliorations du processus

L'expert affirme que deux améliorations majeures du processus ont abouti à « une augmentation importante de la performance visuelle » des LED à lumière blanche destinées aux solutions d'éclairage général.  « Il y a cinq ans, les LED pouvaient seulement obtenir un indice de rendu des couleurs de 50 à 60. En particulier, les processus avaient des difficultés à fabriquer des LED de couleur blanc chaud. Les progrès apportés aux processus de fabrication et de "binning" ont apporté des améliorations spectaculaires à la performance visuelle », a déclaré M. Domingo.

Pour créer une lumière blanc chaud visuellement agréable, plusieurs étapes ont été ajoutées au processus de fabrication.  « Une matrice rouge est placée dans le même package que la matrice bleue, qui est ensuite recouvert d'un revêtement au phosphore extrêmement avancé, pour créer une performance visuelle considérablement améliorée. La modification de l'épaisseur et de la consistance du revêtement au phosphore permet de sélectionner des niveaux de blanc spécifiques ».

Une deuxième amélioration apportée au processus consiste à remplacer le substrat en saphir par une matrice en couches minces.  Donc, au lieu de matrices cristallines, le processus utilise des couches épitaxiales minces. Ce processus autorise un contrôle moléculaire, qui améliore considérablement l'uniformité des longueurs d'ondes, et par conséquent la performance visuelle ».

 

De meilleurs matériaux

M. Domingo indique que les matériaux utilisés pour fabriquer les matrices LED ont bénéficié « d'améliorations importantes » au cours des dernières années.  « Il y a dix à quinze ans, des tranches de trois à quatre pouces étaient courantes, mais leurs dimensions ont maintenant doublé », a précisé M. Domingo. « Comme les matériaux des matrices assurant la performance optimale sont situés au centre, et non pas sur la périphérie de la tranche, des tranches de six pouces peuvent produire deux fois plus de puces LED de haute qualité, pour un coût de fabrication réduit de 30 à 50 % ».

 

Quels sont les problèmes liés aux LED ?

Les LED présentent peu d'inconvénients, en tant que source de lumière. Les inconvénients existants affectent principalement les variances de la fabrication. Comme tout type de solution d'éclairage, certains produits sont meilleurs que d'autres. De ce fait, la Lighting Industry Association demande aux acheteurs de sélectionner uniquement des LED fournies par des organisations ayant une bonne réputation.

« Avec les développements technologiques, le nombre d'entreprises offrant des produits LED augmente et les revendications injustifiées ne manquent pas pour vanter la performance de produits de basse qualité », avertit M. Domingo.  L'Association conseille aux acheteurs de s'assurer que la performance des produits a été vérifiée par un organisme reconnu de l'industrie ou une entreprise fiable. M. Domingo a ajouté « acheter des LED de qualité inférieure ne peut pas être une solution économique ».

Les LED s'usent et perdent une proportion de leur luminosité après un certain nombre d'années.  Ce processus de vieillissement est plus rapide sur les LED de moindre qualité. Il est donc important de choisir ces produits avec soin. Pour juger une lampe LED, il est préférable de tenir compte de la puissance lumineuse au lieu de la puissance électrique mesurée en Watts », précise la Lighting Industry Association.

 

L'éclairage de demain

L'éclairage LED continue d'évoluer au fil des ans, grâce aux innovations continues de l'industrie. Ces développements permettent de créer des produits offrant une meilleure luminosité, un meilleur rendement énergétique, et des performances supérieures pour un coût réduit. Dans leur forme actuelle, les avantages des lampes à LED dépassent de loin les inconvénients. Les perfectionnements continueront d'apporter d'autres avantages.

Comme l'a remarqué Satvinder Panesar, responsable principal des achats pour RS Components, les lampes LED n'offrent pas encore un  IRC de 100. C'est à dire qu'elles n'émettent pas une lumière identique à la lumière naturelle.  Les IRC avoisinent couramment les 80 et l'IRC d'un produit de haute qualité est supérieur à 90. Si vous recherchez une réplication parfaite, les LED ne sont pas encore parfaits » conclut-il.

 

Innovation continue

M. Panesar estime que les progrès continus du développement et de la fabrication renforceront la demande croissante en produits d'éclairage LED.  « Avec le temps, nous prévoyons que les prix des produits baisseront et que leurs dimensions continueront de diminuer », affirme-t-il. « Les spécifications liées à la durée de vie, à l'IRC et à la luminosité vont progresser et les produits deviendront de plus en plus petits ».

Il prévoit également des améliorations au niveau des dissipateurs de chaleur, en particulier avec le remplacement des composants métalliques actuels par des matériaux céramiques, au cours des prochaines années. Ces améliorations permettront de fabriquer des LED plus petits, et de réduire les coûts unitaires sans impacter la qualité. « Plus les boîtiers des LED deviennent petits, plus ils peuvent être intégrés dans leur environnement d'utilisation, sans dépendre de fixations traditionnelles »,  ajoute M. Panesar. « Cette évolution ouvre une multitude de possibilités en termes de conceptions, au lieu d'utiliser des LED en tenant uniquement compte des systèmes d'éclairage historiques ».

La Lighting Industry Association estime aussi que ces possibilités constituent un domaine de croissance pour l'industrie. « Les LED ne sont pas seulement utilisées pour remplacer des ampoules, mais leurs petites dimensions, leur basse température opérationnelle, leur longévité permettent aussi de concevoir de nouveaux systèmes d'éclairage ». D'après cette organisation, de nombreuses innovations se caractériseront par un niveau d'intégration avancé des LED, qui ne pourront plus être démontées. Mais comme la longévité des LED est supérieure à celle du produit où elles sont installées, cela ne constitue pas un inconvénient.

 

Les lampes LED domineront-elles le marché ?

« Avec la baisse continue des prix et l'amélioration constante des spécifications, nous atteindrons un point de non-retour, au-delà duquel les solutions LED seront indiscutablement le produit idéal au lieu d'être des solutions parfaites dans certains cas seulement », affirme M. Panesar.  « Le marché des LED traversera une phase explosive, où elles passeront du statut de produit à la mode ou adapté dans certaines situations, à celui de solution universelle ».

Après cette phase, il estime que les produits les moins efficaces disparaîtront progressivement.  « Vous verrez que les boutiques et les distributeurs ne fourniront et ne vendront plus les anciens produits, parce qu'ils auront acquis la certitude que les produits LED sont la seule solution d'avenir », affirme M. Panesar.  « Vous assisterez alors à une véritable explosion des ventes de produits LED. À la fin de la décennie, nous pouvons prévoir de manière réaliste que les produits LED représenteront 80 % du marché de l'éclairage général », a-t-il affirmé.

 ‎Les LED sont des produits remarquables qui s'améliorent presque chaque jour, aussi bien en termes de qualité que de rendement énergétique.  On ne peut pas douter que des LED de bonne qualité fournies par un fabricant réputé apporteront aux clients des systèmes d'éclairage efficaces et rentables ».

Lighting Industry Association

1. Références

 

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Energy Saving Trust (10/13) "Lighting", URL: http://www.energysavingtrust.org.uk/Electricity/Lighting

Lighting Research Center (10/13) "LED Lighting Q&A: How is white light made with LEDs?", URL: 'http://www.lrc.rpi.edu/programs/nlpip/lightinganswers/led/whiteLight.asp

Lighting Industry Association (06/11) "The Lighting Industry Association Consumer Guide to LED Lighting", URL: http://www.thelia.org.uk/files/docs/consumer-guide-to-led-lighting-1362062769.pdf

Domingo, J (05/13) "Today’s LEDs - What’s responsible for the improvements?" EDN Network, URL: http://www.edn.com/design/led/4414325/Today-s-LEDs-What-s-responsible-for-the-improvements-

Lighting Industry Association (06/11) "The Lighting Industry Association Consumer Guide to LED Lighting", URL: http://www.thelia.org.uk/files/docs/consumer-guide-to-led-lighting-1362062769.pdf

Lighting Industry Association (06/11) "The Lighting Industry Association Consumer Guide to LED Lighting", URL: http://www.thelia.org.uk/files/docs/consumer-guide-to-led-lighting-1362062769.pdf